航行多階段應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張小瑩，黎冬樓，楊秀英

(1. 武漢理工大學(xué) 中國(guó)應(yīng)急管理研究中心, 湖北 武漢 430070；2. 海南科技職業(yè)大學(xué) 海南自由貿(mào)易港國(guó)際航運(yùn)發(fā)展與物權(quán)數(shù)字化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 海口571126)

0 引 言

船舶資源的調(diào)度是實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)輸資源優(yōu)化配置的重要形式，資源調(diào)度的效率也直接決定了物流航運(yùn)公司的經(jīng)濟(jì)效率。船舶資源調(diào)度是一個(gè)多因素尋優(yōu)問題，需要綜合船舶的航行速度、航線規(guī)劃、船舶貨物能力、貨運(yùn)成本等因素，特別是近年來能源價(jià)格居高不下、海上航運(yùn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，更需要提升航運(yùn)企業(yè)的船舶資源調(diào)度水平。

GIS 地理信息系統(tǒng)目前在海上船舶管理方面應(yīng)用非常成功，借助GIS 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備，可以方便獲取航運(yùn)船舶位置、航速、航線等關(guān)鍵信息。本文針對(duì)的船舶資源調(diào)度場(chǎng)景是多貨物、多港口、多航線和多船舶的綜合場(chǎng)景，充分結(jié)合GIS 地理信息系統(tǒng)，基于Visual Studio 2010 開發(fā)船舶航行應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)。

1 GIS 地理信息系統(tǒng)

GIS 地理信息系統(tǒng)由以太網(wǎng)、硬件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)、服務(wù)器、地圖模型、船舶終端等構(gòu)成，原理圖如圖1 所示。

圖1 GIS 地理信息系統(tǒng)原理圖Fig. 1 GIS schematic diagram of GIS GIS

GIS 地理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵功能包括船舶顯示、氣象監(jiān)測(cè)、船舶監(jiān)控等。

1)船舶顯示功能

GIS 系統(tǒng)為了能夠?qū)δ繕?biāo)海域的船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集的船舶數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)的傳輸和同步后進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶通過系統(tǒng)界面可以瀏覽目標(biāo)船舶在海域的準(zhǔn)確位置。將船舶不同位置、不同時(shí)間的數(shù)據(jù)連接起來，就構(gòu)成了一段時(shí)間內(nèi)船舶的航行軌跡。船舶顯示功能是GIS 系統(tǒng)的最基本功能，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用，獲取船舶的航向、航速等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

GIS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)用格式為CM 矢量海圖數(shù)據(jù)[1]，關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括電子海圖的綜合顯示封裝和onap 電子海圖開發(fā)等，GIS 系統(tǒng)的電子海圖數(shù)據(jù)調(diào)用方式如圖2所示。

圖2 GIS 系統(tǒng)的電子海圖數(shù)據(jù)調(diào)用方式Fig. 2 The method of electronic chart data calling in GIS system

2)氣象監(jiān)測(cè)功能

GIS 地理信息系統(tǒng)為船舶用戶提供氣象監(jiān)測(cè)功能，可以每天定時(shí)的進(jìn)行氣象動(dòng)態(tài)的更新，船舶終端和地面監(jiān)測(cè)站可以通過訪問地理信息系統(tǒng)的電子海圖界面，獲取特定海域的氣象狀態(tài)，制定更加合理的航行線路，提高航運(yùn)的安全性。此外，基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以獲取指定海域不同時(shí)間的氣象狀態(tài)信息，并進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的氣象預(yù)測(cè)。該功能對(duì)于船舶航運(yùn)公司制定貨運(yùn)計(jì)劃，避開惡劣天氣有重要的作用。

3)船舶監(jiān)控功能

配合系統(tǒng)的船舶顯示功能，GIS 地理信息系統(tǒng)為用戶提供了船舶搜索和監(jiān)控工具，能夠方便地進(jìn)行遠(yuǎn)洋船舶的航行監(jiān)控。地理信息系統(tǒng)的船舶監(jiān)控功能不僅僅局限于船舶位置的監(jiān)控，而是一種深層次的船舶航行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的全方位監(jiān)控。

用戶在使用GIS 系統(tǒng)的船舶監(jiān)控功能時(shí)，以某一點(diǎn)為中心進(jìn)行圓形或矩形區(qū)域的船舶檢索，目標(biāo)船舶鎖定以后，可以定時(shí)對(duì)船舶的航行速度、貨運(yùn)狀態(tài)、動(dòng)力系統(tǒng)等關(guān)鍵信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

2 基于GIS 的船舶航行多階段應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)

2.1 船舶航行多階段應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)GIS 服務(wù)器設(shè)計(jì)

本文結(jié)合GIS 地理信息系統(tǒng)，進(jìn)行船舶航行多階段應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)，調(diào)度系統(tǒng)的核心是GIS 服務(wù)器。通常，GIS 服務(wù)器部署在Web Service 服務(wù)器上，服務(wù)器接收用戶的指令，為用戶提供動(dòng)態(tài)監(jiān)視、地點(diǎn)和區(qū)域查詢、路徑和地圖生成等服務(wù)。

GIS 服務(wù)器的框架圖如圖3 所示。

圖3 GIS 服務(wù)器的框架圖Fig. 3 The framework diagram of the GIS server

2.2 船舶航行多階段應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊是資源調(diào)度系統(tǒng)與用戶的信息交互媒介，本文使用GeoServer 開源地圖引擎配合OpenLayers 腳本程序進(jìn)行顯示模塊的開發(fā)，用戶可實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)分布、特征數(shù)據(jù)查詢、插入等操作。

OpenLayers 腳本作為一個(gè)開源的JavaScript 庫(kù)，具有地圖快速顯示功能，通過API 進(jìn)行地圖資源的訪問，與服務(wù)器解耦。

OpenLayers 本質(zhì)上是一個(gè)地圖容器，它的工作原理如圖3 所示。

圖4 OpenLayers 腳本工作原理圖Fig. 4 OpenLayers working diagram of the script

OpenLayers 腳本能夠?qū)崿F(xiàn)圖層layer 的自定義[2]和疊加顯示，基于OpenLayers 腳本，船舶航行應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)的顯示模塊能夠完成下述功能：

1)電子海圖的基本顯示和操作功能

比如海圖的放大縮小、收藏、標(biāo)記等。

2)船舶的實(shí)時(shí)位置顯示功能

基于OpenLayers 腳本的顯示模塊不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶用戶的實(shí)時(shí)位置信息，還可以通過圖層變換使地圖隨著船舶位置更新進(jìn)行位置變換。

3)航跡顯示功能

顯示模塊可以將船舶的歷史軌跡顯示在電子海圖上，用戶能夠調(diào)用6 個(gè)月以內(nèi)的船舶航跡數(shù)據(jù)。

4)海圖自定義功能

用戶可以根據(jù)需求定義電子海圖的比例尺、布局等顯示單元，并能夠在電子海圖上進(jìn)行位置和目標(biāo)船舶編碼的搜索功能。

5)路徑尋優(yōu)功能

顯示模塊可以根據(jù)海域內(nèi)船舶航行數(shù)據(jù)和氣象條件進(jìn)行路徑尋優(yōu)，用戶只需要輸入船舶的起始點(diǎn)與終點(diǎn)，顯示模塊可以為用戶提供最優(yōu)的路徑。

6)交通流量計(jì)算

顯示模塊可以計(jì)算當(dāng)前航線的交通流量，并計(jì)算海域內(nèi)船舶數(shù)量的概率值，如下式：

式中：P(X) 為 航線內(nèi)船舶數(shù)量為k時(shí)的概率； λ為航線上船舶的到達(dá)率；k為船舶的數(shù)量。

可知，航線上有小于x艘船的概率為：

航線上有大于x且小于y艘船概率為：

其他情況，P(X=0)=e-λt。

7)船舶航行速度分布建模

OpenLayers 腳本通過采集大量的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，將船舶航行速度擬合為連續(xù)型隨機(jī)變量，并用正態(tài)分布的數(shù)學(xué)模型表示。系統(tǒng)的船舶航行速度概率密度函數(shù)和分布函數(shù)如下：

σ和u為正態(tài)分布系數(shù)，船舶航行速度正態(tài)分布示意如圖5 所示。

圖5 船舶航行速度正態(tài)分布示意圖Fig. 5 Diagram of normal distribution of ship speed

2.3 船舶航行多階段應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)用戶信息管理模塊設(shè)計(jì)

用戶信息管理模塊是調(diào)度系統(tǒng)的重要組成，功能包括用戶信息及任務(wù)管理等，用戶信息管理模塊采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，模塊可實(shí)現(xiàn)的功能包括：

1)建立用戶的數(shù)據(jù)庫(kù)模型，將調(diào)度系統(tǒng)的用戶權(quán)限數(shù)據(jù)、登錄信息、船舶監(jiān)測(cè)任務(wù)信息、電子海圖、視頻和圖文信息、船舶資源調(diào)度任務(wù)信息等集成到數(shù)據(jù)庫(kù)模型中。

2)結(jié)合MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)[3]技術(shù)建立調(diào)度系統(tǒng)的資源表格管理信息，實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)查詢、增刪。

3)用戶信息管理模塊提供資源調(diào)度系統(tǒng)的分類查詢功能，并保存查詢結(jié)果，以備后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和調(diào)用。

4)當(dāng)用戶需要新的數(shù)據(jù)需求時(shí)，用戶信息管理模塊可以提供多種數(shù)據(jù)項(xiàng)，比如編碼、標(biāo)識(shí)、IP 地址、資源調(diào)度序列等。

用戶信息管理模塊的原理圖如圖6 所示。

圖6 用戶信息管理模塊的原理圖Fig. 6 Schematic diagram of user information management module

3 船舶航行多階段應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)軟件開發(fā)

在船舶應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中，本文采用的開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，該開發(fā)環(huán)境具有集成性、并行性等眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)目、多用戶系統(tǒng)的開發(fā)。

使用的程序開發(fā)語言為Visual Basic6.0 語言，這種語言具有模塊化、面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)，同步能夠滿足程序開發(fā)和界面開發(fā)，通過建立ActiveX 控件可以建立內(nèi)容豐富的用戶界面。

Visual Basic 語言的特點(diǎn)包括：

1)可視化編程

Visual Basic 6.0 將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)封裝起來，開發(fā)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)程序的可視化操作，從而提高了程序開發(fā)的效率。

2)事件驅(qū)動(dòng)

Visual Basic 程序由一個(gè)主程序和若干個(gè)子程序構(gòu)成，針對(duì)某個(gè)特定的事件進(jìn)行程序的編制[4]。

本文基于Visual Studio 2010 開發(fā)的船舶航行應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)界面如圖7 所示。

圖7 船舶航行應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)界面Fig. 7 Interface of marine navigation emergency resource scheduling system

4 結(jié) 語

本文結(jié)合GIS 地理信息系統(tǒng)的軟硬件資源，基于Visual Studio 2010 開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了船舶航行多階段應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的原理、功能模塊、程序界面等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。